CN107342124A - 一种轻质高强环保电缆及其制作方法 - Google Patents

一种轻质高强环保电缆及其制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种轻质高强环保电缆，包括镁合金导线和玻璃纤维导线，其是在镁合金芯材和玻璃纤维芯材上分别包覆高强度的连续碳纤维；所述镁导线和玻璃纤维导线之间通过固化后的耐高温环氧树脂粘结成一个整体的电缆导线，在电缆导线整体的外周由玻璃纤维布包覆，在玻璃纤维布外周由铝箔包覆，从铝箔向外依次还设有绝缘层和外护套。该电缆自重轻、机械强度高、信号传输稳定。另外本发明公开了一种制作上述电缆的方法，该工艺操作简单，生产成本低，绿色环保。

Description

一种轻质高强环保电缆及其制作方法
技术领域
本发明涉及电缆加工技术领域，具体涉及一种轻质高强环保电缆及其制作方法。
背景技术
一直以来输电线路所用的导线主要是钢丝增强铝绞线及其相关产品。它由钢丝和铝线两个部分组成。钢丝的作用是承载整个电缆的悬空载荷，铝丝的作用是导电。钢丝的优点是具有强的承载能力，但是自身的重量大，钢芯的热膨胀系数大，如果再考虑冰雪和强风作用，这对电缆的支架有很高的要求。
随着电力行业的发展，对输电导线的要求也越来越高，20世纪90年代，日本学者研究用碳纤维芯代替钢芯，开发了一种新型复合材料合成导线，即碳纤维芯铝绞线(ACFR)。碳纤维增强复合芯电缆由内部的碳纤维复合增强芯和外层铝绞线构成，和传统的钢芯铝绞线相比具有重量轻、强度高、弧垂小、耐疲劳、耐腐蚀等诸多优点，近年来发展迅速，在电力领域已经开始应用，并逐步推广。碳纤维复合芯电缆最大的突破就是使用碳纤维复合材料芯棒作为增强芯替代了原有的钢芯。
目前使用碳纤维复合芯棒力学性能、耐热性能、抗疲劳、耐腐蚀等性能突出，但其结构为由内部的碳纤维层和外层的玻璃纤维层构成，内部碳纤维对树脂浸润性不如玻璃纤维对树脂的浸润性，加上在拉挤制备过程中内部树脂后反应，易使内部存在应力，使其韧性较差，弯曲半径小，增加了施工的难度和碳纤维复合芯电缆的不安全隐患，而且不具有传输信号等功能。
另外目前的电线电缆仅有单一的导电功能，而且一般只有导体和绝缘层，电缆在反复使用后，绝缘层容易硬化、脱离，以致导体失去绝缘层的保护，造成漏电等不安全因素，而电缆的更换与维修增加相应费用的同时，给生活造成了极大的不便，再生产也会给环境带来污染。
发明内容
鉴于上述现有技术的缺陷，本发明要解决的技术问题是，提供一种电缆及其制作方法，该电缆机械强度大、自重轻、信号传输稳定、不易老化、使用寿命长，且节约制作成本，同时操作工艺简便、绿色环保、电缆易于回收再利用。
鉴于上述要解决的技术问题，本发明提供如下的技术解决方案：
一种轻质高强环保电缆，包括镁合金导线和玻璃纤维导线，所述镁合金导线包括镁合金芯材和均匀平行分布在镁线芯材上的连续碳纤维；所述玻璃纤维导线包括玻璃纤维芯材和均匀平行分布在玻璃纤维芯材上的连续碳纤维；所述镁导线和玻璃纤维导线之间通过固化后的耐高温环氧树脂粘结成一个整体的电缆导线，在电缆导线整体的外周由玻璃纤维布包覆，在玻璃纤维布外周由铝箔包覆，从铝箔向外依次还设有绝缘层和外护套。
优选的，所述连续碳纤维在镁合金芯材中所占的体积分数均为15％-65％，所述镁合金芯材包括如下质量百分比的组成元素：铝1％-3％、镍0.03％-0.2％、稀土0.1％-0.5％，其余为镁。
优选的，所述连续碳纤维在玻璃纤维芯材中所占的体积分数均为20％-60％。
优选的，所述连续碳纤维是以聚丙烯腈为原料的强度为5600-6200MPa的连续碳纤维。
优选的，所述耐高温环氧树脂的体积含量为电缆导线整体的34％-40％，所述环氧树脂包括多组分环氧树脂、固化剂、促进剂、脱模剂和树脂改性剂。
本发明还提供了一种制作上述轻质高强环保电缆的方法，包括如下步骤：
（1）将镁合金各组分元素依次投入熔炼炉，镁的纯度在99%以上，经熔炼搅拌均匀后，析出镁液中气体及杂质，获得镁合金溶液备用；
（2）将去胶后的连续碳纤维束浸入质量浓度为1-2％的K2ZrF6水溶液中保持1-2分钟，取出纤维束干燥后浸入步骤（1）中获得的镁合金溶液中进行浸渗处理，镁合金溶液的温度为680-720℃，浸润时间为1-2分钟，再采用具有三段压射的冷室压铸机压铸，模具型腔采用中心进料，将压铸成型的炉头置入烘箱内进行热处理后保温3小时后打开烘箱，自然冷却，精加工成长度为1m、直径为20mm的碳纤维增强的镁合金导线；
（3）使用耐高温环氧树脂将所述玻璃纤维芯材和包覆在玻璃纤维芯材外周的连续碳纤维粘结在一起，一次固化成型制得所述玻璃纤维导线；
（4）在使用耐高温环氧树脂将步骤（2）中制得的镁合金导线和步骤（3）中制得的玻璃纤维导线粘结成一个整体的电缆导线，在电缆导线整体的外周使用玻璃纤维布包覆，再在玻璃纤维布外周使用铝箔包覆；
（5）采用挤塑机在上述电缆导线的铝箔包覆层表面挤包绝缘层，在挤包绝缘层的同时在绝缘层与铝箔包覆层之间填充阻水层，铝箔包覆层表面挤包绝缘层后形成电缆绝缘线芯，在450℃保温12小时后进行绞线，制得电缆绝缘线芯绞线；
（6）将聚氯乙烯树脂（PVC）100份、增塑剂45份、增白剂0.06份、抗氧化剂0.9份、紫外线吸收剂0.5份依次加入高速混合机中，混合5分钟后，加入温度为100℃的塑料挤出造粒机中进行造粒，得到电缆外护套颗粒料，备用；
（7）将步骤（5）得到的电缆绝缘线芯绞线置于螺杆挤出机中，将步骤（6）中得到的电缆外护套颗粒料置于螺杆挤出机中，在制得的电缆绝缘线芯绞线表面进行挤包，使得在制得的电缆绝缘线芯绞线表面形成电缆外护套，即得到所需轻质高强环保电缆。
优选的，所述步骤（2）中碳纤维在镁合金溶液中浸渗的时候采用二氧化硫或者六氟化硫保护。
优选的，所述步骤（4）中玻璃纤维布体积含量为电缆导线整体的1％-10％；铝箔的厚度为0.1-0.2mm。
优选的，所述步骤（7）中控制挤出机的机筒温区的温度为150℃、机头温区的温度为180℃，将螺杆加长45cm。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
（1）本发明的电缆包括镁合金导线和玻璃纤维导线，是分别在镁合金芯材和玻璃纤维芯材外周包覆连续碳纤维，这种的电缆相比传统的钢丝铜导线，其自重明显轻很多，减少电缆支架的负担；所述连续碳纤维是以聚丙烯腈为原料的强度为5600-6200MPa的连续碳纤维，使得电缆具有良好的机械强度；
（2）本发明的电缆在镁合金导线和玻璃纤维导线外周还包覆有铝箔层、阻水层、绝缘层和外护套，使得电缆具有信号传输稳定，屏蔽效果好，耐潮效果好等优势；另外在电缆导线整体的外周由玻璃纤维布包覆，使电缆导线外层绝缘，并且提高了电缆导线的横向机械强度性能， 抗劈裂性能提高；
（3）本发明的制作所述电缆的方法，操作工艺简便、绿色环保、制造成本低，电缆易于回收再利用。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明的技术方案。这些实施例仅用于说明本发明的最优方案而不用于限制本发明的保护范围。
实施例1
本实施例提供了一种轻质高强环保电缆，包括镁合金导线和玻璃纤维导线，所述镁合金导线包括镁合金芯材和均匀平行分布在镁线芯材上的以聚丙烯腈为原料的强度为5600MPa的连续碳纤维；所述玻璃纤维导线包括玻璃纤维芯材和均匀平行分布在玻璃纤维芯材上的以聚丙烯腈为原料的强度为5600MPa的连续碳纤维；所述镁导线和玻璃纤维导线之间通过固化后的耐高温环氧树脂粘结成一个整体的电缆导线，耐高温环氧树脂的体积含量为电缆导线整体的34％。在电缆导线整体的外周由玻璃纤维布包覆，在玻璃纤维布外周由铝箔包覆，从铝箔向外依次还设有绝缘层和外护套。
上述连续碳纤维在镁合金芯材中所占的体积分数均为15％，所述镁合金芯材包括如下质量百分比的组成元素：铝1％、镍0.03％、稀土0.1％，其余为镁。所述连续碳纤维在玻璃纤维芯材中所占的体积分数均为20％。
上述环氧树脂包括多组分环氧树脂、固化剂、促进剂、脱模剂和树脂改性剂。
本实施例还提供了一种制作上述轻质高强环保电缆的方法，具体包括如下步骤：
（1）将镁合金各组分元素依次投入熔炼炉，镁的纯度在99%以上，经熔炼搅拌均匀后，析出镁液中气体及杂质，获得镁合金溶液备用；
（2）将去胶后的连续碳纤维束浸入质量浓度为1％的K2ZrF6水溶液中保持1分钟，取出纤维束干燥后浸入步骤（1）中获得的镁合金溶液中进行浸渗处理，浸渗时采用二氧化硫保护，此过程中镁合金溶液的温度为680℃，浸润时间为1分钟，再采用具有三段压射的冷室压铸机压铸，模具型腔采用中心进料，将压铸成型的炉头置入烘箱内进行热处理后保温3小时后打开烘箱，自然冷却，精加工成长度为1m、直径为20mm的碳纤维增强的镁合金导线；
（3）使用耐高温环氧树脂将所述玻璃纤维芯材和包覆在玻璃纤维芯材外周的连续碳纤维粘结在一起，一次固化成型制得所述玻璃纤维导线；
（4）在使用耐高温环氧树脂将步骤（2）中制得的镁合金导线和步骤（3）中制得的玻璃纤维导线粘结成一个整体的电缆导线，在电缆导线整体的外周使用玻璃纤维布包覆，再在玻璃纤维布外周使用铝箔包覆；其中玻璃纤维布体积含量为电缆导线整体的1％；铝箔的厚度为0.1mm；
（5）采用挤塑机在上述电缆导线的铝箔包覆层表面挤包绝缘层，在挤包绝缘层的同时在绝缘层与铝箔包覆层之间填充阻水层，铝箔包覆层表面挤包绝缘层后形成电缆绝缘线芯，在450℃保温12小时后进行绞线，制得电缆绝缘线芯绞线；
（6）将聚氯乙烯树脂（PVC）100份、增塑剂45份、增白剂0.06份、抗氧化剂0.9份、紫外线吸收剂0.5份依次加入高速混合机中，混合5分钟后，加入温度为100℃的塑料挤出造粒机中进行造粒，得到电缆外护套颗粒料，备用；
（7）将步骤（5）得到的电缆绝缘线芯绞线置于螺杆挤出机中，将步骤（6）中得到的电缆外护套颗粒料置于螺杆挤出机中，在制得的电缆绝缘线芯绞线表面进行挤包，使得在制得的电缆绝缘线芯绞线表面形成电缆外护套，在此过程中控制挤出机的机筒温区的温度为150℃、机头温区的温度为180℃，将螺杆加长45cm，即得到所需轻质高强环保电缆。
经测试，本实施例获得的电缆的抗拉强度为19kg/mm2，屈服强度15kg/mm2，伸长率为6％，导电率78％IACS。
实施例2
本实施例提供了一种轻质高强环保电缆，包括镁合金导线和玻璃纤维导线，所述镁合金导线包括镁合金芯材和均匀平行分布在镁线芯材上的以聚丙烯腈为原料的强度为6200MPa的连续碳纤维；所述玻璃纤维导线包括玻璃纤维芯材和均匀平行分布在玻璃纤维芯材上的以聚丙烯腈为原料的强度为6200MPa的连续碳纤维；所述镁导线和玻璃纤维导线之间通过固化后的耐高温环氧树脂粘结成一个整体的电缆导线，耐高温环氧树脂的体积含量为电缆导线整体的40％。在电缆导线整体的外周由玻璃纤维布包覆，在玻璃纤维布外周由铝箔包覆，从铝箔向外依次还设有绝缘层和外护套。
上述连续碳纤维在镁合金芯材中所占的体积分数均为65％，所述镁合金芯材包括如下质量百分比的组成元素：铝3％、镍0.2％、稀土0.5％，其余为镁。所述连续碳纤维在玻璃纤维芯材中所占的体积分数均为60％。
上述环氧树脂包括多组分环氧树脂、固化剂、促进剂、脱模剂和树脂改性剂。
本实施例还提供了一种制作上述轻质高强环保电缆的方法，具体包括如下步骤：
（1）将镁合金各组分元素依次投入熔炼炉，镁的纯度在99%以上，经熔炼搅拌均匀后，析出镁液中气体及杂质，获得镁合金溶液备用；
（2）将去胶后的连续碳纤维束浸入质量浓度为2％的K2ZrF6水溶液中保持2分钟，取出纤维束干燥后浸入步骤（1）中获得的镁合金溶液中进行浸渗处理，浸渗时采用六氟化硫保护，此过程中镁合金溶液的温度为720℃，浸润时间为2分钟，再采用具有三段压射的冷室压铸机压铸，模具型腔采用中心进料，将压铸成型的炉头置入烘箱内进行热处理后保温3小时后打开烘箱，自然冷却，精加工成长度为1m、直径为20mm的碳纤维增强的镁合金导线；
（3）使用耐高温环氧树脂将所述玻璃纤维芯材和包覆在玻璃纤维芯材外周的连续碳纤维粘结在一起，一次固化成型制得所述玻璃纤维导线；
（4）在使用耐高温环氧树脂将步骤（2）中制得的镁合金导线和步骤（3）中制得的玻璃纤维导线粘结成一个整体的电缆导线，在电缆导线整体的外周使用玻璃纤维布包覆，再在玻璃纤维布外周使用铝箔包覆；其中玻璃纤维布体积含量为电缆导线整体的10％；铝箔的厚度为0.2mm；
（5）采用挤塑机在上述电缆导线的铝箔包覆层表面挤包绝缘层，在挤包绝缘层的同时在绝缘层与铝箔包覆层之间填充阻水层，铝箔包覆层表面挤包绝缘层后形成电缆绝缘线芯，在450℃保温12小时后进行绞线，制得电缆绝缘线芯绞线；
（6）将聚氯乙烯树脂（PVC）100份、增塑剂45份、增白剂0.06份、抗氧化剂0.9份、紫外线吸收剂0.5份依次加入高速混合机中，混合5分钟后，加入温度为100℃的塑料挤出造粒机中进行造粒，得到电缆外护套颗粒料，备用；
（7）将步骤（5）得到的电缆绝缘线芯绞线置于螺杆挤出机中，将步骤（6）中得到的电缆外护套颗粒料置于螺杆挤出机中，在制得的电缆绝缘线芯绞线表面进行挤包，使得在制得的电缆绝缘线芯绞线表面形成电缆外护套，在此过程中控制挤出机的机筒温区的温度为150℃、机头温区的温度为180℃，将螺杆加长45cm，即得到所需轻质高强环保电缆。
经测试，本实施例获得的电缆的抗拉强度为22kg/mm2；屈服强度17kg/mm2；伸长率为8％；导电率82％IACS。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种轻质高强环保电缆，其特征在于，包括镁合金导线和玻璃纤维导线，所述镁合金导线包括镁合金芯材和均匀平行分布在镁线芯材上的连续碳纤维；所述玻璃纤维导线包括玻璃纤维芯材和均匀平行分布在玻璃纤维芯材上的连续碳纤维；所述镁导线和玻璃纤维导线之间通过固化后的耐高温环氧树脂粘结成一个整体的电缆导线，在电缆导线整体的外周由玻璃纤维布包覆，在玻璃纤维布外周由铝箔包覆，从铝箔向外依次还设有绝缘层和外护套。
2.根据权利要求1所述的轻质高强环保电缆，其特征在于，所述连续碳纤维在镁合金芯材中所占的体积分数均为15％-65％，所述镁合金芯材包括如下质量百分比的组成元素：铝1％-3％、镍0.03％-0.2％、稀土0.1％-0.5％，其余为镁。
3.根据权利要求1所述的轻质高强环保电缆，其特征在于，所述连续碳纤维在玻璃纤维芯材中所占的体积分数均为20％-60％。
4.根据权利要求1所述的轻质高强环保电缆，其特征在于，所述连续碳纤维是以聚丙烯腈为原料的强度为5600-6200MPa的连续碳纤维。
5.根据权利要求1所述的轻质高强环保电缆，其特征在于，所述耐高温环氧树脂的体积含量为电缆导线整体的34％-40％，所述环氧树脂包括多组分环氧树脂、固化剂、促进剂、脱模剂和树脂改性剂。
6.一种制作如权利要求1至5中任一项所述的轻质高强环保电缆的方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）将镁合金各组分元素依次投入熔炼炉，镁的纯度在99%以上，经熔炼搅拌均匀后，析出镁液中气体及杂质，获得镁合金溶液备用；
（2）将去胶后的连续碳纤维束浸入质量浓度为1-2％的K2ZrF6水溶液中保持1-2分钟，取出纤维束干燥后浸入步骤（1）中获得的镁合金溶液中进行浸渗处理，镁合金溶液的温度为680-720℃，浸润时间为1-2分钟，再采用具有三段压射的冷室压铸机压铸，模具型腔采用中心进料，将压铸成型的炉头置入烘箱内进行热处理后保温3小时后打开烘箱，自然冷却，精加工成长度为1m、直径为20mm的碳纤维增强的镁合金导线；
（3）使用耐高温环氧树脂将所述玻璃纤维芯材和包覆在玻璃纤维芯材外周的连续碳纤维粘结在一起，一次固化成型制得所述玻璃纤维导线；
（4）在使用耐高温环氧树脂将步骤（2）中制得的镁合金导线和步骤（3）中制得的玻璃纤维导线粘结成一个整体的电缆导线，在电缆导线整体的外周使用玻璃纤维布包覆，再在玻璃纤维布外周使用铝箔包覆；
（5）采用挤塑机在上述电缆导线的铝箔包覆层表面挤包绝缘层，在挤包绝缘层的同时在绝缘层与铝箔包覆层之间填充阻水层，铝箔包覆层表面挤包绝缘层后形成电缆绝缘线芯，在450℃保温12小时后进行绞线，制得电缆绝缘线芯绞线；
（6）将聚氯乙烯树脂（PVC）100份、增塑剂45份、增白剂0.06份、抗氧化剂0.9份、紫外线吸收剂0.5份依次加入高速混合机中，混合5分钟后，加入温度为100℃的塑料挤出造粒机中进行造粒，得到电缆外护套颗粒料，备用；
（7）将步骤（5）得到的电缆绝缘线芯绞线置于螺杆挤出机中，将步骤（6）中得到的电缆外护套颗粒料置于螺杆挤出机中，在制得的电缆绝缘线芯绞线表面进行挤包，使得在制得的电缆绝缘线芯绞线表面形成电缆外护套，即得到所需轻质高强环保电缆。
7.根据权利要求6所述的制作轻质高强环保电缆的方法，其特征在于，所述步骤（2）中碳纤维在镁合金溶液中浸渗的时候采用二氧化硫或者六氟化硫保护。
8.根据权利要求6所述的制作轻质高强环保电缆的方法，其特征在于，所述步骤（4）中玻璃纤维布体积含量为电缆导线整体的1％-10％；铝箔的厚度为0.1-0.2mm。
9.根据权利要求6所述的制作轻质高强环保电缆的方法，其特征在于，所述步骤（7）中控制挤出机的机筒温区的温度为150℃、机头温区的温度为180℃，将螺杆加长45cm。
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